管廊人員出入口結構設計分析
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摘要:介紹了綜合管廊人員出入口的設置原則及按樓梯形式劃分人員出入口的類別。以某具體工程實例為依據(jù)，介紹了采用MIDAS有限元軟件計算人員出入口節(jié)點的步驟及注意事項，并對人員出入口節(jié)點設計時遇見的問題提出解決方案。
關鍵詞:綜合管廊，人員出入口，MIDAS有限元軟件，結構設計
引言
近年來，國家出臺了相關政策，大力支持地下綜合管廊的建設。綜合管廊，是建于城市地下容納兩類及以上城市工程管線的構筑物及附屬設施。建設綜合管廊能夠改善城市環(huán)境、消除“拉鏈馬路”、保證管線安全運營及提高經(jīng)濟效益等諸多優(yōu)勢［1］。隨著管廊的大力建設，很多學者對管廊進行了大量相關研究，在結構設計方面，相關規(guī)范及學者只對綜合管廊的標準段進行了討論，對復雜節(jié)點如人員出入口只進行了籠統(tǒng)的介紹，對節(jié)點在結構設計方面遇到的相關問題，沒有相關的規(guī)定及討論［2］。綜合管廊人員出入口設計應符合規(guī)劃及相關規(guī)范要求，并宜與逃生口、吊裝口、進風口結合設置，且不應少于兩個，且進行空間三維設計［2］。本文以實際工程中綜合管廊人員出入口節(jié)點為依據(jù)，采用MIDASGEN有限元軟件進行三維模型分析，并對相關問題提出解決方案。
1人員出入口設置原則及節(jié)點形式
人員出入口是為方便維護及相關人員進出管廊，結合片區(qū)管廊規(guī)劃及兼顧多條管廊的人員進出，在合適位置設置的人員進出節(jié)點。在平面布置上，天然氣艙室的人員出入口應單獨設置，其余艙室的人員出入口宜采用合建方式，并應組織好人行分流，優(yōu)化平面布局。并應結合道路實際情況，宜布置在綠化帶中，當條件受限時，可布置在分車帶、人行道中，出入口方向不應朝向行車道，并應采取措施確保人員出入安全。在縱斷面布置上，宜選擇在縱斷面變化平緩處，管廊標準斷面頂覆土約3．0m～4．0m，且人員出入口的服務半徑約為1．5km～2．0km。人員出入口一般應設置樓梯，樓梯的寬度、凈高及梯段設置應符合現(xiàn)行國家標準的有關規(guī)定。按照其樓梯形式的劃分，將人員出入口形式劃分為一字形、雙跑形和剪刀形。其一字形又可根據(jù)其出入口的位置劃分為分開型和合并型。
2有限元軟件建模分析
2．1工程概況
選取某工程綜合管廊，該管廊為三艙斷面形式，斷面總尺寸為9．5m(寬)×3．85m(高)，布置形式如圖1所示。天然氣艙人員出入口與其他艙室分開設置，人員出入口位置設置在兩側分隔帶下，管廊頂覆土約為3m～4m，地面以上設置樓梯間。管廊中板開洞，內(nèi)設鋼梯，頂板設置混凝土樓梯。人員出入口平面布置圖及剖面布置圖如圖2所示。
2．2建模計算
人員出入口節(jié)點以變形縫為界，節(jié)點總長度28m，采用MIDASGEN有限元軟件進行建模分析?；炷翉姸鹊燃墳镃40，采用板單元模擬，底板厚450mm，中間板400mm，頂板300mm，外側壁板400mm，中間壁板350mm，由程序進行自動網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸最小為500mm。邊界采用面彈性支承進行彈性連接，基床系數(shù)按地勘資料取值，約為20000kN/m3。節(jié)點豎向荷載包括結構自重、覆土荷載、地面荷載及管廊內(nèi)設備自重等，地面荷載一般包括汽車荷載和地面堆載，汽車荷載按城—A取值，地面堆載取10kN/m2。水平荷載包括水土側壓及地面荷載引起的側向荷載。水土側壓按靜止土壓力采用水土分算，靜止土壓力系數(shù)取0．5。有限元三維模型如圖3所示。
2．3結果分析
DBJ61T125—2016陜西省城鎮(zhèn)綜合管廊設計標準規(guī)定［3］，綜合管廊結構設計應按施工階段和正常使用階段分別對承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行計算。對于鋼筋混凝土結構，應對使用階段進行裂縫寬度驗算，構件正截面的受力裂縫控制等級為三級，最大裂縫寬度限值為0．2mm。通過對大量的節(jié)點計算分析研究表明，板配筋一般由正常使用階段的極限狀態(tài)工況進行控制。依據(jù)GB50010—2010混凝土結構設計規(guī)范(2015年版)中裂縫計算公式［4］，計算板鋼筋面積。同時由《混規(guī)》式6．3．3驗算板的抗剪承載力是否滿足，如不滿足，應采取相關措施，如加大板厚或配置抗剪鋼筋。節(jié)點底板準永久組合工況下的彎矩圖如圖4所示。
3人員出入口節(jié)點結構設計常見措施
3．1設置框架柱或框架梁
部分人員出入口因受上部地形影響，樓梯位置受限，上部樓梯設置在管廊中間艙層板上，如圖5所示，板下無豎向構件，且板的跨度較大，同時，管廊上部樓梯剛度突變，中間層板采取加強措施，設置框架梁，將板劃分為幾個小板，減小板的受力面積，同時增大板鋼筋面積。樓梯角部容易產(chǎn)生應力集中，且豎向壁板因設置樓梯斷開，在不影響下部管線及人行情況下，可在角部設置框架柱，對角部形成約束，如圖5所示?？蚣苤翱蚣芰盒璋闯休d力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行設計，構造要求和抗震等級同綜合管廊，且需驗算柱對底板的抗沖切承載力。
3．2加強樓梯處壁板厚度及配筋
人員出入口地面以上建筑，一般采用鋼結構，或異形柱框架形式。因此，樓梯周圍壁板，按三邊固接、頂部自由邊界考慮;在承受側面土壓和地面荷載的同時，踏板對壁板的支撐邊界不明確，且壁板的高度較高，長度較長，故需對壁板進行加強，一方面是在計算滿足要求的基礎上，配筋進行放大;另一方面是加大壁厚。
3．3樓梯設計
人員出入口節(jié)點踏板可按梁式樓梯和板式樓梯進行設計。按梁式樓梯進行設計時，踏板可作為樓梯周圍壁板的支撐，從而降低壁板計算高度，減少壁板配筋，此時踏板厚度一般應不小于150mm，踏板配筋率應不小于0．25%。踏板按板式樓梯進行設計時，為避免踏板對壁板邊界計算的復雜性，將踏板與壁板之間設縫脫開，一般縫寬30mm，縫內(nèi)采用聚苯板填充，從而切斷了踏板與壁板間的水平傳力途徑，使踏板對整體結構的剛度的影響減少，但梯梁和梯柱的截面或配筋等需加強。因人員出入要求，在節(jié)點中板需開大洞設置鋼梯，進行結構設計時，需對洞口進行加固設計，當洞口靠近臨土側時，洞口側需按梁進行計算，驗算其承載力及裂縫是否滿足要求。
4結語
本文對綜合管廊人員出入口節(jié)點的設置原則及分類做了簡述，并基于某綜合管廊，對人員出入口節(jié)點的有限元分析及結構設計時應采取的相關措施進行了分析，得出以下結論:1)人員出入口節(jié)點在平面布置上，應結合道路實際情況及片區(qū)規(guī)劃，宜布置在綠化帶中;在縱斷布置上，宜選擇覆土變化平緩處。且燃氣艙的人員出入口應與其他艙室分開設置。2)人員出入口節(jié)點可采用MIDASGEN有限元軟件進行三維分析，驗算承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的受力分析。一般情況下，壁板配筋由正常使用極限狀態(tài)工況控制。3)當人員出入口節(jié)點布置受地形等條件限制時，可采用增設框架柱和框架梁等措施，加強樓梯周圍剛度。樓梯周圍壁板可增大壁厚或增大配筋保證其安全。4)人員出入口樓梯可按梁式和板式樓梯進行設計，當按板式樓梯計算時，樓梯與壁板可設縫脫開，減小對周圍壁板的影響。
參考文獻:
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［3］DBJ61/T125—2016，陜西省城鎮(zhèn)綜合管廊設計標準［S］．
［4］GB50010—2010，混凝土結構設計規(guī)范(2015年版)［S］．
作者：張亞平 曹晨 丁戰(zhàn)峰 單位：中國市政工程西北設計研究院有限公司